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1、一 d U II l l 学 术 射流对天然气管道冲击的数值模拟 中国石油西气东输管道公司甘陕管理处 一 谢立伟 摘要 本文分析了管线在充压操作时 气体高速射流冲出时对管壁的冲击作用 文中采 用分析以及数值模拟了管道充压时气流的跨音速流动过程 分析方法结合气体动力学 和自由射流模型 计算射流的 中 击作用 数值模拟利用 模拟了管线在冲压操作时的气体参数变化过程 研究表明 由于管线中射流前后管径 相差很大 高速气流会减弱到管壁可承受的范围 前言 在长输 天然气管道运行过程中 需 要经常进行流程切换 设备排污等作业 从而 不可避 免的需要进行管线放 空 充压操作 由 于阀门自 口 后 的巨大压差
2、管道内会出现激波等 强间断流动 1 管线在不同管道连接处会形成 高速射流和膨胀波等复杂流动 2 3 在操作过 程中 除因强剪切层产生 的噪声污染外 高速 气流射出时可能也对管壁造 成强烈的冲刷 这 种高速气流可能对管道的壁厚和安全性造成威 胁 对应 于超 音速流动 5 6 和射流冲击模拟 7 可采用 计算流体 力学 C F D 来进行求解 但 由于管线的连接和尺寸 限制 给 C F D的使用 带来一定的困难 本文首先结合气体动力学和 射流模型分析了在不 同背压下 射流到达管壁 的速度变化过程 同时利用 C F D模拟二维管道 的跨音速射流 分析了高速气流对管壁的影响 1 管道模型 选取西二线高
3、陵分输压气站第一路组合式 分离器及其进 出口阀之间管段为计算样本 如图 1 该段管容约为 1 5 m 平压管线为 0 6 0 x 5 的管道 进 口阀上游压力设为 8 M P a 待平压管 段起始压力为 O M P a 假设平压阀开度 1 0 0 l 组合 分离器 j 平压臀线现场布盥 2 分析模型和计算结果 由于图 1 管线中平压管线直径相对于输气 管道 中直径相差较 大 因此 可以将之视为气体 自孔 口 喷嘴向外喷射所形成的流动即气体射 流 同时由于平压 阀前后存在巨大的压力差 M a c h in e C h in a中国机械 在打开 阀门的时 会形成激波等强间断解 同 时在气体射流处会
4、形成膨胀波 因此结合空气 动 力学和射流分析在不 同背压下的气流冲击壁 面的速度 2 1 相关计算 高 压 侧 表 压 为 8 0 M P a 低 压 侧 表 压 为 O M P a 故背压 p b O 1 iVI P a 总压 p 8 1 M P a 0 0 1 2 5 0 5 2 8 3 1 p 假设 0 6 0 x 5 管段为管道 l 0 6 1 0 X 2 0 待升压 管段为管道 2 气流在 内径 5 0 m m的管道 1 处为 超临界状态 即管道 1 处 m a l 假设总压不变 从管道 l 到输运管道空间 2处 产生膨胀波 气动函数 寺 t t 式中 计算结 果 t 3 5 3 4
5、 4 根据普 朗特 迈耶函数膨胀波的气流转折角度为 6 0度 计算公式 叫鸲1 叫拍 剃 零 N 图 2超临界状态 F气体流动 气流射入管道 2后 以扩张角2 d 打到壁面 上 半径为 l m 可将气流视为 自由淹没射流 假设 射流 中任一点的静压强等于周围气体 的 压强 射流 的动力学特征为各截面上的动量相 等 动量守恒 以及各截面的半经验关系式 轴向速度关系式 2 a p v 2 y e y 假设横截面经验关系式为 v 1 一 V m为到达管壁壁面横截面中心速度 整理 得 3 2 8 r o 詹 其 中 I l 6 扩 I 3 4 0 鲫 8 4 k 0 0 2 5 m R Im 1 5 m s 从上述计算结果可知 气流从平压管线 出 E l 进入 到气室后速度衰减 的很快 到达管壁时 的速度已经很低了 因此对管道不会造成很大 的冲击 随着气流不断充满管道 2 背压逐渐增大 当气流到达临界条件时 气室压力为 0 5 8 2 p 无膨胀波 单纯 自由空间射流 3 自由射流流动 管壁壁面横截面 中心速度与射流核心速度 比值关系 中 既 次距离 a为 自由射流 圆柱管面关于扩张角度的 个参数 该参数值 为 0 0 8 P o 声速 3 4 0 m s V 1 8 5 4m Pap v v 41 0 7 0 Pa 当气室背压超过临界压力时 速度低于马
